La médecine moderne est largement basée sur le traitement des patients avec des médicaments à « petites molécules », qui comprennent des analgésiques comme l'aspirine et des antibiotiques comme la pénicilline.

Ces médicaments ont prolongé la durée de vie humaine et rendu de nombreuses maladies potentiellement mortelles facilement traitables, mais les scientifiques pensent que la nouvelle approche de l'administration de médicaments à l'échelle nanométrique peut offrir encore plus de progrès. L'administration d'ARN ou d'ADN à des cellules spécifiques offre la promesse d'activer ou de désactiver sélectivement des gènes, tandis que des dispositifs nanométriques pouvant être injectés ou implantés dans le corps pourraient permettre aux médecins de cibler des médicaments sur des tissus spécifiques sur une période de temps définie.

« Il y a une compréhension croissante de la base biologique de la maladie, et une compréhension croissante des rôles que certains gènes jouent dans la maladie, " dit Daniel Anderson, le professeur agrégé Samuel A. Goldblith de génie chimique et membre de l'Institute for Medical Engineering and Science du MIT et de l'Institut David H. Koch pour la recherche intégrative sur le cancer. "La question est, « Comment pouvons-nous en profiter ? » »

Des chercheurs du laboratoire d'Anderson, ainsi que beaucoup d'autres au MIT, travaillent sur de nouvelles façons de fournir de l'ARN et de l'ADN pour traiter diverses maladies. Le cancer est une cible privilégiée, mais les livraisons de matériel génétique pourraient également aider avec de nombreuses maladies causées par des gènes défectueux, y compris la maladie de Huntington et l'hémophilie. "Il y a beaucoup de gènes que nous pensons si nous pouvions simplement les désactiver ou les activer, ça peut être thérapeutique, " dit Anderson.

Une avenue prometteuse est l'interférence ARN (ARNi), un processus naturel qui permet aux cellules d'affiner l'expression de leurs gènes. De courts brins d'ARN appelés siARN interceptent et détruisent l'ARN messager avant qu'il ne puisse transmettre les instructions de construction de protéines de l'ADN au reste de la cellule. Les scientifiques espèrent qu'en créant leur propre ARNsi pour cibler des gènes spécifiques, ils seront capables de désactiver les gènes qui causent la maladie.

Cependant, ce potentiel n'a pas encore été réalisé en raison des défis liés à la livraison en toute sécurité de l'ARNsi aux bons tissus et à l'évitement d'autres tissus. L'utilisation de virus est une possibilité, mais c'est une option qui comporte des risques pour la sécurité, tant de chercheurs étudient maintenant des véhicules de livraison synthétiques pour le matériel génétique.

Le laboratoire d'Anderson développe des matériaux appelés lipides, molécules grasses qui peuvent envelopper et délivrer des brins de siRNA. Des études ont montré que ces matériaux peuvent efficacement délivrer de l'ARN et réduire les tumeurs chez les animaux; Les chercheurs du MIT travaillent maintenant à leur développement pour des tests humains. Ces particules peuvent délivrer plusieurs séquences d'ARN à la fois, permettant aux chercheurs de cibler plusieurs gènes. "Beaucoup de ces maladies, en particulier le cancer, sont compliqués et peuvent nécessiter la désactivation de plusieurs gènes, ou désactiver certains gènes et activer certains gènes, " dit Anderson.

Anderson utilise également une technique appelée origami à l'acide nucléique pour replier l'ADN et l'ARN dans des structures adaptées au ciblage des cellules cancéreuses. Origami aux acides nucléiques, développé au cours des dernières années, permet un contrôle extrêmement précis de l'emplacement de chaque atome au sein d'une structure, ce qui est difficile à réaliser avec d'autres types de nanoparticules, dit Anderson.

Dans une étude de 2012 portant sur des souris, Anderson a montré que des nanoparticules d'ADN repliées marquées avec du folate s'accumulaient dans les cellules cancéreuses de l'ovaire, qui expriment beaucoup plus de récepteurs de folate à leur surface que les cellules saines.

Approche à plusieurs volets

Paula Hammond, le professeur d'ingénierie David H. Koch et membre du Koch Institute, développe également de nouveaux matériaux pour l'administration à la fois d'ARN et de médicaments traditionnels. En utilisant sa technique d'assemblage couche par couche, elle crée des nanoparticules qui incorporent des couches de plusieurs types d'ARN, ou combiner l'ARN avec un médicament de chimiothérapie.

Cette attaque à plusieurs volets pourrait permettre aux chercheurs de concevoir des traitements qui coupent de nombreuses voies de fuite possibles pour les cellules tumorales. « Nous sommes très intéressés par l'étude de combinaisons impliquant l'ARNi qui réduit la capacité des cellules à contrer les attaques de chimiothérapie, " dit Hammond.

Les recherches de Hammond dans ce domaine se concentrent désormais sur le cancer, mais l'approche pourrait aussi se prêter au traitement de l'inflammation produite par les maladies infectieuses, elle dit. "Avec l'ARNi, l'approche est assez modulaire, et une fois que vous comprenez quels gènes vous devez avoir un impact, vous pouvez travailler sur leur ciblage, " dit Hammond.

Le laboratoire de Hammond travaille également sur des revêtements de dispositifs médicaux qui pourraient sécréter des médicaments utiles, hormones ou facteurs de croissance. L'un de ces projets consiste à revêtir des implants de hanche de couches qui sécrètent des facteurs de croissance osseuse. Dans les études avec des animaux, elle a montré que ces revêtements peuvent favoriser la croissance de l'os naturel, et une adhérence plus forte entre les implants de hanche et l'os du corps. Si le travail se traduit par une utilisation clinique humaine, cela pourrait permettre aux implants de hanche de durer plus longtemps et de réduire le besoin de chirurgies supplémentaires pour remplacer les implants.

Hammond travaille également sur des matériaux qui favorisent la cicatrisation des plaies par libération préprogrammée de facteurs de croissance à partir de bandages et de pansements, et sur ultrafin, revêtements transparents pour lentilles de remplacement de la cataracte qui libèrent des médicaments anti-inflammatoires.

Livraison et diagnostic

Michel Cima, le professeur d'ingénierie David H. Koch, et Robert Langer, le professeur de l'Institut David H. Koch, tous deux membres de l'Institut Koch, travaillent sur des dispositifs à l'échelle nanométrique et microscopique qui peuvent être implantés dans le corps pour libérer des médicaments ou diagnostiquer une maladie.

Il y a plusieurs années, Cima et Langer ont commencé à travailler sur une puce implantable qui peut distribuer des médicaments à l'intérieur du corps, mais qui est contrôlé sans fil depuis l'extérieur du corps. Dans les essais cliniques de l'année dernière, la société qui a développé la puce à des fins commerciales a montré qu'elle pouvait délivrer de manière fiable des doses précises d'un médicament contre l'ostéoporose qui est normalement administré par injection.

La société développant la puce, MicroCHIPS Inc., est maintenant en train de réduire le dispositif et d'augmenter le nombre de réservoirs de médicament sur la puce (la version utilisée dans l'essai de l'année dernière avait 20 puits de ce type). Cela peut permettre à l'appareil d'être utilisé pendant des périodes beaucoup plus longues - jusqu'à 30 ans, dit Cima. Cela lui permettrait de servir de glande artificielle, libérer des hormones si nécessaire, il dit, surtout si un capteur pouvait être incorporé pour alerter la puce quand libérer une dose.

Un tel dispositif pourrait être utile pour de nombreuses maladies endocriniennes. "Les maladies de croissance, le développement et la reproduction sont autant de domaines où il existe d'importants besoins non satisfaits, ou des thérapies très difficiles à mettre en œuvre, " dit Cima.

Cima travaille également sur des dispositifs de diagnostic qui pourraient aider à surveiller la réponse tumorale au traitement, ou détecter si quelqu'un a eu une crise cardiaque. Sa stratégie est de passer des tests développés à l'origine pour une utilisation in vitro (où un échantillon est prélevé du corps et testé en laboratoire), et placez plutôt le dispositif de détection à l'intérieur du corps. Ces dispositifs de diagnostic seraient implantés en conjonction avec une procédure médicale.

Par exemple, lorsqu'un cancer est suspecté, une biopsie est effectuée sur un patient. Cima développe actuellement des dispositifs qui pourraient être implantés sur le site tumoral lors de la biopsie et utilisés plus tard pour surveiller le niveau d'oxygène ou l'acidité, les deux révèlent des informations importantes sur la façon dont la maladie doit être traitée et sur l'efficacité du traitement.

Un autre capteur qu'il a développé utilise des nanoparticules magnétiques, logé dans un disque de 8 millimètres implanté dans la peau, pour détecter trois protéines libérées lors d'une crise cardiaque. Toute personne se présentant à l'hôpital avec des douleurs thoraciques est testée pour ces protéines, mais les résultats peuvent sembler peu concluants car les protéines sont sécrétées à des moments différents. Le capteur, qui est lu par imagerie par résonance magnétique (IRM), pourrait être implanté chez des patients connus pour être à haut risque de crise cardiaque, ce qui permet aux médecins de déterminer plus facilement s'ils en ont eu un.

Tous ses projets, Cima dit, sont motivés par le désir d'améliorer la prise en charge médicale des patients. "Nous faisons cela parce que nous pouvons faire de la technologie cool, mais plus important, nous le faisons parce qu'il existe un besoin cliniquement significatif, " il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.